DE4229315A1 - Röntgendetektorelement - Google Patents

Description

In der Computertomographie werden Röntgendetektoren benö­ tigt, die einfallende Röntgenstrahlung in elektrisch wei­ terverarbeitbare Signale umwandeln, die eine hohe Dauerre­ sistenz gegenüber der einfallenden Röntgenstrahlung zeigen und die mit ausreichender Dynamik auf zeitliche Änderungen der Röntgenintensitäten reagieren können.

Anwendungsreife Röntgendetektoren für die Computertomogra­ phie benutzen verschiedene physikalische Prinzipien zur Detektion der Röntgenstrahlung. In gasgefüllten Ionisa­ tionskammern wird die ionisierende Eigenschaft von Rönt­ genstrahlung benutzt und die im ionisierten Gas erzeugten elektrischen Ladungen direkt bestimmt. Nach dem Szintilla­ torprinzip arbeitende Detektoren nützen die Leuchteigen­ schaften verschiedener einkristalliner und keramischer Leuchtstoffe, die die kurzwellige elektromagnetische Rönt­ genstrahlung in sichtbares Licht umwandeln, so daß sie für das Auge, einen lichtempfindlichen Film oder für einen Photodetektor sichtbar wird.

Eine Direktumwandlung der Röntgenstrahlen in ein elektri­ sches Signal gelingt zum Beispiel mit einer pn-Diode aus monokristallinem Germaniumhalbleitermaterial.

Ortsauflösende Röntgendetektoren nach dem Ionisationskam­ merprinzip erfordern ein aufwendiges Herstellungsverfahren und besitzen einen nur geringen Wirkungsgrad bei der Um­ wandlung der Röntgenstrahlung in elektrische Impulse.

Szintillatormaterialien sind als Detektoren prinzipiell gut geeignet, lassen sich jedoch nur aufwendig strukturie­ ren, um die nötige Ortsauflösung herzustellen und machen zusätzlich störungsanfällige und verlustbehaftete Verbin­ dungen zwischen den Szintillatoren und Photodetektoren er­ forderlich.

Germaniumhalbleiterdioden erfordern eine Kühlung mit flüs­ sigem Stickstoff, um sie erfolgreich als Röntgendetektoren einzusetzen. Dies ist in der Computertomographie, bei der ein Array von einzelnen Röntgendetektoren um den zu durch­ leuchtenden Körper herumbewegt werden muß, besonders auf­ wendig und umständlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Röntgendetektor anzugeben, der Röntgenstrahlung mit hoher Effizienz in elektrische Signale umwandelt, der eine Orts­ auflösung ermöglicht und der einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Rönt­ gendetektorelement nach Anspruch 1.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Viele Verbindungshalbleiter besitzen im Vergleich zu Ger­ manium ein vergleichbar günstiges Kernladungszahlverhält­ nis, welches für Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) als bei­ spielhaft ausgewähltes Halbleitermaterial zum Beispiel 1,14 beträgt. Damit wird eine ausreichend hohe Röntgenab­ sorption gewährleistet. Günstiger ist bei CIS jedoch der höhere Bandabstand von 1,05 eV gegenüber 0,8 eV bei Ger­ manium, wodurch eine Kühlung mit flüssigem N₂ nicht not­ wendig ist. Die absorbierte Röntgenstrahlung erzeugt im Halbleiter Ladungsträgerpaare, die bei ausreichend dünnen Halbleiterschichten an den Elektroden gesammelt und als Signalstrom gemessen werden können. Der Aufbau eines ein­ zelnen Detektorelementes ist dabei äußerst einfach und be­ steht im einfachsten Fall aus dem Halbleiterkörper und zwei Elektroden an den einander gegenüberliegenden Haupt­ flächen des Halbleiterkörpers. Durch Einstrahlung an einer Stirnfläche des Halbleiterkörpers kann selbst bei geringer Schichtdicke des plättchenförmigen Körpers ausreichend Ab­ sorptionslänge (parallel zur Schicht) zur Verfügung ge­ stellt werden, um eine möglichst vollständige Absorption der Röntgenstrahlung zu gewährleisten.

Die mögliche Dicke eines einzelnen Halbleiterkörpers wird durch die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger im Halbleitermaterial bestimmt und sollte diese nicht oder nicht wesentlich überschreiten. Die Dicke des Gesamtele­ ments, das heißt die Dicke des Halbleiterkörpers plus der Elektroden bestimmt die maximal erreichbare eindimensiona­ le Auflösung des Detektorelements senkrecht zur Hauptflä­ che des Halbleiterkörpers. Da jedoch bekannte und übliche Röntgendetektorelemente eine Breite und somit eine maxima­ le Auflösung von ca. 1 mm besitzen, und der gesamte Rechen­ aufwand zur Auswertung einer CT-Aufnahme und nicht zuletzt die Strahlenbelastung des zu durchleuchtenden Patienten auf eine derartige Auflösung zugeschnitten ist, wird auch für das erfindungsgemäße Detektorelement eine wirksame Schichtdicke von ca. 1 mm angestrebt.

Für Halbleitermaterialien, die wegen einer entsprechend geringeren Diffusionslänge der Ladungsträger eine optimale Schichtdicke im pm-Bereich besitzen, wird vorgeschlagen, die effektive Schichtdicke durch Stapeln mehrerer mit Elek­ troden versehener Halbleiterkörper zu erreichen. Diese Sta­ pel können aus einzelnen, getrennt voneinander hergestell­ ten und mit Elektroden versehenen Halbleiterkörpern durch Übereinanderstapeln hergestellt werden.

Alternativ kann ein stapelförmiger Schichtaufbau auch direkt durch übereinander Erzeugen der unterschiedlichen Schichten hergestellt werden.

Insbesondere für einen solchen stapelförmigen Aufbau eines Detektorelements ist es von Vorteil, wenn die Elektroden aus einem Schwermetall, das heißt aus einem Metall mit relativ hoher Ordnungszahl bestehen oder ein solches Me­ tall umfassen. Durch die hohe Ordnungszahl des Halbleiters gelingt es, die in einen Halbleiterkörper einfallende Röntgenstrahlung bereits nach kurzer Wegstrecke vollstän­ dig zu absorbieren und nur dort ein elektrisches Signal zu erzeugen. Durch die Elektroden aus Schwermetall wird die Ortsauflösung des Detektorelements zusätzlich verbessert und ein "Übersprechen" zwischen einzelnen Elementen ver­ hindert.

Der einfachste Aufbau für ein Detektorelement besteht aus einem photoleitenden plättchenförmigen Halbleiterkörper, der auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen mit Elektroden versehen ist. Ein solches Element ist funktions­ tüchtig, wenn der eingesetzte Verbindungshalbleiter einen ausreichend hohen Unterschied zwischen Hell- und Dunkelwi­ derstand aufweist. Es wird wie ein Photowiderstand betrie­ ben, wobei das Element trotz angelegter Spannung erst bei einfallender Strahlung elektrisch leitend wird.

Eine bessere zeitliche Auflösung von einfallender Strah­ lung wird mit Photodioden erzielt. Dazu ist es erforder­ lich, daß der Halbleiterkörper einen Halbleiterübergang aufweist. Dazu wird im einfachsten Fall eine der Elektro­ denschichten aus einem Material ausgewählt, welches mit dem Verbindungshalbleiter einen Schottky-Übergang ausbil­ det.

Durch leichte Variation der Stöchiometrie, beispielsweise über den Selengehalt einer Kupfer-Indium-Diselenid-Schicht lassen sich p- und n-leitende Schichten und somit eben­ falls ein Halbleiterübergang erzeugen. Als weitere Möglich­ keit kann der Halbleiterkörper einen Heteroübergang auf­ weisen, welcher üblicherweise aus einer dünnen Schicht eines weiteren Verbindungshalbleiters besteht, welcher mit dem ersten Halbleitermaterial einen Halbleiterübergang aus­ bildet. Je nach Aufbau eines solchen Elements und in Ab­ hängigkeit von der mittleren freien Weglänge der Ladungs­ träger können aus Halbleiterkörpern mit Halbleiterübergang bestehende Detektorelemente auch ohne angelegte Spannung als reine Photoelemente oder mit angelegter Sperrspannung als Photodiode betrieben werden. Grundsätzlich ist es mög­ lich, für ein Detektorelement einen für Solarzellen be­ kannten Aufbau zu wählen. Da für ein Röntgendetektorelement jedoch keine Lichtdurchlässigkeit an einer der beiden Hauptflächen erforderlich ist, kann der Aufbau durch Ver­ wendung ganz flächig aufgebrachter Metallelektroden wesent­ lich vereinfacht werden.

Werden für ein Detektorelement mehrere Halbleiterkörper mit einem Halbleiterübergang gestapelt, so müssen diese miteinander verschaltet werden. Dies kann parallel erfol­ gen, jedoch wird in vorteilhafter Weise eine Serienver­ schaltung gewählt. Fällt in einem Element ein einzelner Halbleiterkörper infolge eines Kurzschlusses als Detektor aus, so bleibt das Gesamtelement dennoch funktionstüchtig.

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Detektorelements wird im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen für ein Detektorelement geeigneten Schichtaufbau im schematischen Querschnitt.

Fig. 2 zeigt das mit einem Oszillographen aufgezeichnete Ansprechverhalten eines erfindungsgemäßen Detek­ torelements gegenüber gechoppter Röntgenstrahlung.

Fig. 3 zeigt einen einfachen Schichtaufbau wie er zur Herstellung eines gestapelten Detektorelements ge­ eignet ist.

Fig. 4 zeigt ein stapelförmiges Detektorelement in per­ spektivischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein funktionsfähiges Detektorelement darge­ stellt, welches einen im Prinzip von Solarzellen her be­ kannten jedoch leicht modifizierten Aufbau aufweist. Es besteht aus einem Substrat S, beispielsweise Glas, einer ersten Elektrodenschicht E1, zum Beispiel einer 0,8 um dicken Molybdänschicht, einer ersten Halbleiterschicht HL1, zum Beispiel einer Absorberschicht aus ca. 2 µm dickem Kupfer-Indium-Diselenid, einer weiteren Halbleiter­ schicht HL2, die mit der ersten Halbleiterschicht HL1 einen Heteroübergang ausbildet, im Ausführungsbeispiel einer ca. 2 nm starken Cadmiumsulfidschicht und schließ­ lich einer zweiten Elektrodenschicht E2, beispielsweise einer 0,8 µm dicken weiteren Molybdänschicht.

Ein solches Element kann nach verschiedenen, zur Herstel­ lung von entsprechenden Solarzellen bekannten Verfahren hergestellt werden. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, sämtliche Schichten E1, HL1, HL2 und E2 auf dem Substrat von entsprechenden Targets aufzusputtern. Die Halbleiter- und Elektrodenschichten können auch aufgedampft oder mit plasmaunterstützten CVD-Verfahren oder durch Plasmasprühen oder Laserverdampfen aufgebracht werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der CIS-Schicht besteht darin, die Einzelkomponenten, also Kupfer, Indium und Selen gleichzeitig auf das vorgeheizte Substrat aufzu­ dampfen, wobei sich der Verbindungshalbleiter direkt beim Auftreffen auf dem Substrat ausbildet.

Die Einzelkomponenten können auch in Form diskreter Schich­ ten oder in Form von Mischschichten auf dem Substrat auf­ gebracht werden, wo sie in einem späteren Temperschritt im Rahmen einer Festkörperreaktion zum Verbindungshalbleiter reagieren. Möglich ist es auch, zunächst nur Kupfer und Indium aufzubringen und die Selenkomponente über eine Se­ lendampf oder Selenwasserstoffgas enthaltende Atmosphäre bei 300 bis 500°C als Gasphasen/Festkörperreaktion einzu­ führen.

Zur Untersuchung des Ansprechverhaltens eines erfindungs­ gemäßen Detektorelements wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung durch gechoppte Röntgenstrahlung einer 50 kV- Volt Wolfram-Antikathoden-Röhre mit 40 mA aus 25 cm Ent­ fernung bestrahlt. Mit einem Oszillographen wird sowohl das Choppersignal als auch die an den Elektroden E1 und E2 abgegriffene Spannung des Detektorelementes aufgezeichnet. Von den beiden in Fig. 2 dargestellten Kurven zeigt die obere den Verlauf des Choppersignals und die untere die vom Detektorelement gelieferte Spannung an einem Innenwi­ derstand von 5 kΩ. Klar zu erkennen ist, daß sowohl An­ stiegs- als auch Abklingflanke des Detektorsignals deut­ lich kürzer als 1 ms ist, das Element also eine gute Dyna­ mik und somit ein gutes Ansprechverhalten besitzt. Auch der Detektionswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Schicht­ dicke liegt im Bereich bekannter Detektorelemente.

Zur Herstellung eines stapelförmigen und infolgedessen dickeren Aufbaus können direkt auf der in Fig. 1 darge­ stellten Anordnung weitere Halbleiterschichten und Elek­ trodenschichten in gleicher Reihenfolge aufgebaut bzw. ab­ geschieden werden. Direkt auf der oberen Elektrodenschicht E2 können also weitere Halbleiterschichten entsprechend HL1 und HL2 und schließlich eine weitere Elektrodenschicht entsprechend E2 erzeugt werden. Die gleiche Schichtsequenz bzw. die gleichen Verfahren werden entsprechend oft wieder­ holt, bis eine gewünschte Gesamtschichtdicke über dem Sub­ strat erzeugt ist. Ein solches Element besitzt eine maxi­ male eindimensionale Auflösung in Stapelrichtung, die der Gesamthöhe des Stapels, bzw. der Entfernung zwischen ober­ ster und unterster Elektrodenschicht im Stapel entspricht.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines stapelför­ migen Detektorelements ist in Fig. 3 dargestellt. Dazu wird zunächst ein großflächiges Schichtpaket hergestellt, zerteilt und übereinander gestapelt. Dazu ist es nötig, das Schichtpaket auf sehr dünnen metallischen Substraten, beispielsweise ca. 100 µm dicken Schwermetallfolien (Tantal oder Wolfram) abzuscheiden. Über diesem Schwerme­ tallsubstrat E1′ wird der bereits beschriebene Schichtauf­ bau erzeugt, bestehend aus Halbleiterschichten HL1, HL2 und einer weiteren Elektrodenschicht E2, die allerdings dünn gegen die als Substrat verwendete Elektrode E1′ sein kann (zum Beispiel 0,5 µm).

Ein derartiges großflächiges Schichtpaket wird nun in gleich große kleine Plättchen zerteilt, deren Größe ent­ sprechend der gewünschten Größe des Detektorelements ge­ wählt wird.

Fig. 4 zeigt einen fertigen stapelförmigen Aufbau, bei dem zwischen zwei Ausleseelektroden AE1 und AE2 mehrere solcher Plättchen übereinander gestapelt sind. Die Ausle­ seelektroden AE1, AE2 sind in vorteilhafter Weise eben­ falls aus Schwermetall gefertigt und besitzen eine etwas größere Stärke von ca. 0,1 bis 1 mm. Im Stapel weisen die einzelnen Plättchen bezüglich ihres Halbleiterübergangs die gleiche Orientierung auf, wobei der durch das Aufein­ anderliegen der Elektrodenflächen hergestellte elektrische Kontakt zu einer Serienverschaltung der einzelnen Plätt­ chen führt.

Ein Detektorarray für die Computertomographie kann nun aus mehreren solcher Stapel aufgebaut werden, wobei diese elek­ trisch voneinander isoliert in Stapelrichtung hintereinan­ der angeordnet werden. Da eine CT-Aufnahme eine Schichtauf­ nahme eines zum Beispiel menschlichen Körpers darstellt, ist hauptsächlich eine eindimensionale Auflösung maßgebend, so daß die Länge 1 des Stapels je nach Höhe des erforder­ lichen Signalstromes gewählt wird und beispielsweise 10 mm beträgt. Die Gesamthöhe h des Stapels bestimmt die Auflö­ sung und beträgt beispielsweise 1 mm. Die Tiefe t des Sta­ pels bestimmt die für die Absorption der einfallenden Rönt­ genstrahlung XR zur Absorption zur Verfügung stehende Weg­ länge in den Halbleiterkörpern bzw. dem Detektorelement. Sie wird entsprechend dem Absorptionsvermögen des Halblei­ termaterials so gewählt, daß mehr als 90 Prozent der Strah­ lung absorbiert werden. Für Kupfer-Indium-Diselenid ist dazu eine Tiefe t von ca. 5 mm ausreichend.

Obgleich die Erfindung nur am Ausführungsbeispiel, also einem CIS als Halbleitermaterial umfassenden Detektorele­ ment beschrieben wurde, ist die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung von CIS als Verbindungshalbleitermaterial beschränkt. Insbesondere geeignet sind sämtliche Verbin­ dungshalbleitermaterialien, die zumindest gegenüber Sili­ zium eine höhere durchschnittliche Kernladungszahl be­ sitzen. Da dies für sämtliche Verbindungshalbleiter der Klassen II -VI, III -V und I - III - VI₂ zutrifft, sind diese prinzipiell ebenfalls geeignet. Besonders günstige Kernladungsverhältnisse werden mit Kupfer-Gallium-Disele­ nid, Kadmium-Tellurid oder Gallium-Arsenid erhalten. Be­ sonders geeignet sind die Chalkopyrite, da sie gegenüber der Röntgenstrahlung beständig sind und auch nach längerer Bestrahlungsdauer keine Alterungserscheinungen aufweisen.

Claims (11)

1. Element zur Detektion von Röntgenstrahlung mit

• - zumindest einem photoleitenden plättchenförmigen Halb­ leiterkörper aus einem Verbindungshalbleitermaterial,
• - einem Paar von Elektroden an einander gegenüberliegenden Hauptflächen des plättchenförmigen Halbleiterkörpers und
• - einer Strahleneintrittsfläche an einer Stirnseite des Elements.

2. Element nach Anspruch 1, dessen Halbleitermaterial einen Bandabstand von zumindest einem Elektronenvolt auf­ weist.

3. Element nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Halbleiterkör­ per, der ein Chalkopyrit-Material umfaßt.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches aus einem elektrisch verschalteten Stapel mehrerer, mit Elek­ troden versehener plättchenförmiger Halbleiterkörper be­ steht.

5. Element nach Anspruch 4, bei dem die einzelnen Halblei­ terkörper im Stapel je einen Halbleiterübergang aufweisen und im Stapel in Serie geschaltet sind.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Elektroden aus einem Schwermetall ausgebildet sind.

7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zumindest eine Halbleiterkörper einen Heteroübergang aufweist.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der zumindest eine Halbleiterkörper einen Schottky-Kontakt aufweist.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches als Photodiode mit Sperrspannung geschaltet ist.

10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches als Photowiderstand ausgebildet ist.

11. Verwendung des Elements als Detektorelement in der Computertomographie.